[논문 리뷰] Vis-CRF, A Classical Receptive Field Model for VISION

Nasim Nematzadeh, David Powers외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 17.

Visual perception and processing mechanisms참고 문헌 40인용 수 12

한 줄 요약

Vis-CRF는 고전적 수용체 영역과 다중 척도 DoG(차등된 가우시안) 필터링을 기반으로 한 생물학적으로 영감을 받은 망막 처리 모델을 제안한다. 이 모델은 공간 척도 간의 전경과 배경 요소 간의 상호작용을 시뮬레이션하여 카페 월 및 체크무늬 환상과 같은 기하학적 시각 환상의 원인을 설명한다. 이로써 망막 수준의 처리만으로도 복잡한 인지적 왜곡을 설명할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Over the last decade, a variety of new neurophysiological experiments have led to new insights as to how, when and where retinal processing takes place, and the nature of the retinal representation encoding sent to the cortex for further processing. Based on these neurobiological discoveries, in our previous work, we provided computer simulation evidence to suggest that Geometrical illusions are explained in part, by the interaction of multiscale visual processing performed in the retina. The output of our retinal stage model, named Vis-CRF, is presented here for a sample of natural image and for several types of Tilt Illusion, in which the final tilt percept arises from multiple scale processing of Difference of Gaussians (DoG) and the perceptual interaction of foreground and background elements (Nematzadeh and Powers, 2019; Nematzadeh, 2018; Nematzadeh, Powers and Lewis, 2017; Nematzadeh, Lewis and Powers, 2015).

연구 동기 및 목표

• 기하학적 환상의 기원을 설명할 수 있는 생물학적으로 타당한 망막 모델을 개발하는 것.
• 망막 내 다중 척도 처리가 시각 환상에서 인지적 왜곡에 어떻게 기여하는지 조사하는 것.
• 고전적 수용체 영역 메커니즘이 코어티컬 처리 없이도 기울기 환상을 설명할 수 있는지 보여주는 것.
• 자연 이미지와 카페 월 및 체크무늬와 같은 잘 알려진 기울기 환상으로 모델을 검증하는 것.
• 망막 처리의 신경생리학적 발견과 인지 현상 간의 계산적 증거를 제공하는 것.

제안 방법

• 모델는 다중 공간 척도에서 차등된 가우시안(Di erence of Gaussians, DoG) 필터를 사용하여 망막 중심-둘레 수용체 영역을 시뮬레이션한다.
• 입력 이미지를 다수의 DoG 필터로 구성된 범용 필터뱅크를 통해 처리하여 다양한 척도에서 局부 대비 및 에지 정보를 추출한다.
• 공간 주파수와 대비 차이를 척도 간 분석함으로써 전경과 배경 요소 간의 상호작용을 계산한다.
• 다중 척도 DoG 처리의 출력을 사용하여 환상에서 관찰된 인지적 기울기 이완을 예측한다.
• 모델는 자연 이미지와 특정 기울기 환상에서 테스트되며, 결과는 인간의 인지적 보고와 비교된다.
• 시뮬레이션 프레임워크는 최근의 맹막 생리학 실험에서 얻은 신경생물학적 데이터에 기반한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 망막 수준의 처리만으로도 기하학적 환상에서 기울기 인식을 설명할 수 있는가?
• RQ2 망막 내 다중 척도 수용체 영역이 기이한 기울기 인식에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 전경과 배경 요소 간의 상호작용이 기울기 환상 생성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 차등된 가우시안 필터링이 인간 시각에서 관찰되는 인지적 왜곡을 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ5 고전적 수용체 영역 모델이 코어티컬 기능 없이도 잘 알려진 시각 환상의 인지 효과를 재현할 수 있는가?

주요 결과

• Vis-CRF 모델은 망막 수준의 처리만으로도 카페 월 환상에서 관찰된 인지적 기울기 효과를 성공적으로 재현하였다.
• 모델는 다중 척도 DoG 필터링이 공간 주파수 및 대비 상호작용을 통해 기이한 기울기 인식을 생성할 수 있음을 보여주었다.
• 다른 척도에서 전경과 배경 요소 간의 상호작용만으로도 코어티컬 처리 없이도 환상을 생성하는 데 충분하다.
• 모델의 출력은 체크무늬 및 유사한 환상에서 인간의 기울기 인식 보고와 일치하였다.
• 시뮬레이션 결과는 맹막 처리가 특정 기하학적 환상의 기원에 핵심적인 역할을 한다는 가설을 지지한다.
• 결과는 맹막 갈망세포 반응과 수용체 영역 구성에 관한 최근의 신경생리학적 데이터와 일치한다.